Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov
estav.tvnový videoportál

Dřevěné nosníky se zářezem v podpoře

U dřevěných nosníků se někdy používají zářezy v místech uložení – zpravidla na dolní straně nosníku pro zmenšení celkové výšky konstrukce stropu, popř. střechy nebo pro vyrovnání úrovně horního okraje nosníku s přilehlými konstrukčními prvky, méně často na horní straně nosníku, například pro osazení střešního okapu. Podíváme se na pravidla pro dřevěné nosníky se zářezem v podpoře.

1 Úvod

Obrázek 1 Zářezy dřevěných nosníků v místě uložení: a) pravoúhlý zářez na dolní straně nosníku; b) zářez s náběhem na dolní straně nosníku; c) pravoúhlý zářez na horní straně nosníku; d) zářez s náběhem na horní straně nosníku
Obrázek 1 Zářezy dřevěných nosníků v místě uložení: a) pravoúhlý zářez na dolní straně nosníku; b) zářez s náběhem na dolní straně nosníku; c) pravoúhlý zářez na horní straně nosníku; d) zářez s náběhem na horní straně nosníku

U dřevěných nosníků se někdy používají zářezy v místech uložení – zpravidla na dolní straně nosníku pro zmenšení celkové výšky konstrukce stropu, popř. střechy nebo pro vyrovnání úrovně horního okraje nosníku s přilehlými konstrukčními prvky, méně často na horní straně nosníku, například pro osazení střešního okapu (obrázek 1a až 1d).

Provedení těchto zářezů je vzhledem k snadné obrobitelnosti dřeva jednoduché. Právě nejjednodušší a nejčastěji používaný typ zářezu – pravoúhlý zářez na dolní straně nosníku – lze však z hlediska jeho spolehlivosti a nosné způsobilosti označit jako problematický.

 
Obrázek 2 Schéma základních typů porušení nosníku v zářezu: vlevo – tah kolmou vláknům; vpravo – smyk rovnoběžně s vlákny
Obrázek 2 Schéma základních typů porušení nosníku v zářezu: vlevo – tah kolmou vláknům; vpravo – smyk rovnoběžně s vlákny

Zářezy mohou výrazně redukovat únosnost konstrukčních prvků nejenom vzhledem k oslabení průřezu, ale také účinkem koncentrace napětí vlivem náhlé změny průřezu. V rohu zářezu působí značně vysoká napětí v tahu kolmo k vláknům a napětí ve smyku, která mohou být příčinou trhlin a následně poruch (obr. 2). U zářezů na horní straně nosníku se přídavná napětí účinkem náhlé změny průřezu neprojevují tak nepříznivě.

 
Tab. 1 Redukční součinitel podle americké normy [1]
hef /h0,50,60,70,80,91,0
součinitel0,250,360,490,640,811,0
1) Význam značek viz obrázek 1.
2) Napětí ve smyku za ohybu se stanoví pro výšku průřezu h.
3) Redukční součinitel odpovídá vztahu (hef /h)2.

K redukci únosnosti ve smyku za ohybu dřevěných nosníků s pravoúhlým zářezem na dolní straně v místě uložení přihlížely již před ≈ 70 lety tehdejší americké [1] i sovětské [2] předpisy pro dřevěné konstrukce. Jak americké, tak sovětské předpisy dolní pravoúhlý zářez v podpoře nosníku všeobecně nedoporučovaly a poukazovaly na příznivější variantu zářezu s plynulou změnou výšky průřezu (náběhem). Při použití pravoúhlého zářezu požadovaly redukci dovoleného namáhání ve smyku za ohybu v závislosti na hloubce zářezu. Redukční součinitel podle americké normy [1] je uveden v tabulce 1.

Tehdejší sovětská norma omezovala hloubku zářezu u nosníků z rostlého dřeva také v závislosti na výšce nosníku h, a to na ≤ 0,3 h pro h > 18 cm, na ≤ 0,4 h pro h = 18 až 12 cm a na ≤ 0,5 h pro h < 12 cm.

Redukční součinitel podle amerických předpisů převzala např. britská [3] a kanadská [4] norma pro dřevěné konstrukce a od r. 1971 také ČSN 73 1701 [5].

2 Působení dřevěných nosníků se zářezy v uložení

S rozvojem dřevěných lepených konstrukcí v Evropě v šedesátých letech minulého století docházelo k používání vysokých lepených lamelových nosníků s pravoúhlými zářezy v uložení, které se požadovaly z konstrukčních důvodů. Protože národní normy pro dřevěné konstrukce zpravidla neobsahovaly žádná ustanovení pro navrhování, docházelo k poruchám a požadavkům na sanaci takových nosníků. Otázka skutečného působení dřevěných nosníků se zářezem v uložení byla proto předmětem řady teoretických a experimentálních prací, které byly motivovány přípravou normativních ustanovení pro navrhování – jednak v souvislosti s revizí německé normy pro dřevěné konstrukce DIN 1052 [6]., jednak pro připravovanou evropskou normu pro dřevěné konstrukce Eurokód 5 [7]. Pro podrobnější informace odkazujeme na [8] až [16].

Obrázek 3 Rozdělení napětí v tahu kolmo k vláknům v podpoře nosníku s pravoúhlým zářezem
Obrázek 3 Rozdělení napětí v tahu kolmo k vláknům v podpoře nosníku s pravoúhlým zářezem

Na obrázku 3 je znázorněn průběh napětí v rohu zářezu, kde působí značně vysoká napětí v tahu kolmo k vláknům a ve smyku. S rostoucí vzdáleností od rohu zářezu se napětí rychle zmenšují a zesílení má být proto co nejblíže k rohu zářezu.

Při střídavé vlhkosti prostředí se napětí v tahu kolmo k vláknům vyvozené podporovou reakcí skládá s klimaticky podmíněným napětím v tahu kolmo k vláknům účinkem nestejnoměrného rozdělení vlhkosti v průřezu, ke kterému dochází v rohu zářezu zejména vzhledem k rychlejšímu přenosu vlhkosti čelní plochou [17].

 
Obrázek 4 Varianty pravoúhlého zářezu na dolní straně nosníku: a) zářez se zaoblením; b) zářez v kombinaci s předvrtaným otvorem
Obrázek 4 Varianty pravoúhlého zářezu na dolní straně nosníku: a) zářez se zaoblením; b) zářez v kombinaci s předvrtaným otvorem

U zářezů s plánovitým zaoblením (obr. 4a) nebo s náběhem je koncentrace napětí výrazně menší. Vzhledem ke komplikované výrobě se zaoblený zářez u dřevěných nosníků v praxi nepoužívá, princip zaoblení se však využívá u některých truhlářských spojů (například spoje na pero a drážku). Někdy se doporučuje v místě pravoúhlého rohu předem předvrtat otvor (obr. 4b), který je příznivý i z hlediska provádění zářezu – zamezuje nežádoucí přeřezání vláken za úroveň vnitřního rohu.

3 Zesilování nosníku v místě zářezu

Vzhledem k nepříznivému účinku střídavé vlhkosti prostředí a vlivu kombinovaného napětí na seříznutém okraji se doporučuje provádět zářezy na dolní straně nosníku se zesílením. Nezesílené zářezy se dovolují pouze v třídách provozu 1 a 2.

Požadavek zesilování zářezů je zdůvodněn zejména těmito aspekty:

  • Pravoúhlým zářezem na dolní straně nosníku se u nosníků z lepeného lamelového dřeva plánovitě zavádí značné lokální napětí v tahu kolmo k plochám lepených spojů, které se všeobecně nedoporučuje;
  • Redukce návrhové únosnosti spojená se zavedením součinitele kv je u štíhlých nosníků z lepeného lamelového dřeva poměrně značná a pro optimální využití únosnosti nosníku často dochází k požadavku zesílení v místě zářezu;
  • dodatečná sanace případných poruch (možnost jejich vzniku souvisí s povahou materiálu a nelze ji zcela vyloučit ani při použití exaktních postupů dimenzování) je u těchto nosníků o mnoho nákladnější než jejich prevence.

Nosníky se zesilují v místě zářezu buď pomocí vnějších příložek z vodovzdorné překližky nebo pomocí vlepovaných ocelových prutů (závitových tyčí nebo žebrové betonářské oceli). V současné době se jeví jako efektivní použití samovrtných vrutů vzhledem k jednoduchému provedení bez použití lepidla a velmi dobré účinnosti.

Posuzování nosníků a příklad výpočtu zesílení (PDF)

Citované prameny

  • [1] National Design Specification for Stress-Grade Lumber and its Fastenings. Nat. For. Prod. Ass., Washington, 1944
  • [2] Normy i techničeskije uslovija projektirovanija derevjannych konstrukcij (N i TU 122-47), Moskva, 1947
  • [3] BS CP 112:1952 The Structural Use of Timber
  • [4] CSA 086-1959 Code of Recommended Practice for Engineered Design in Timber
  • [5] ČSN 73 1701 Navrhování dřevěných stavebních konstrukcí, 1971
  • [6] DIN 1052/1:1988 Holzbauwerke. Berechnung und Ausfiuhrung
  • [7] ENV 1995-1-1:1993 Design of Timber Structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings
  • [8] Eichstaedt, H. J.: Spannungsbilder für einen ausgeklingten Balken unter Berücksichtigung der Anisotropie des Holzes. Bauen mit Holz 1970/12
  • [9] Henrici, D.: Spannungsoptische Untersuchung rechtwinklig ausgeklingten sowie lochbelasteter Biegeträger. Holz als Roh- und Werkstoff 1976, s. 91–100.
  • [10] Ausgeklingte Brettschichtträger. In: Karlsruher Forschungsarbeiten von 1972 bis 1977. Bauen mit Holz 1977/5
  • [11] Mistler, H. L.: Die Tragfähigkeit des am Endauflager unten rechtwinklig ausgeklingten Brettschichtträgers. Dissertation Universität Karlsruhe, 1979
  • [12] Henrici, D.: Beitrag zur Spannungsermittlung in ausgeklingten Biegeträgern aus Holz. Dissertation TU München, 1984
  • [13] Larsen, H. J., Gustaffson, P. J.: Design of Endnotched Beams. CIB W 18 Paper 22-10-1, Berlin 1989
  • [14] Henrici, D.: Beitrag zur Bemessung ausgekligter Brettschichtholzträger, Bauen mit Holz 1990/11
  • [15] Gustafsson, P. J.: Eurocode 5 draft design criterion for notched beams. In: Proceedings of the 1991 Int. Timber Eng. Conference, Vol. 1, London 1991
  • [16] Ehlbeck, J.: Stand der Verbindungstechnik im Holzbau. III, Int. Symposium Holz in Baukonstruktionen, Bratislava, Kočovce 04-06.09.1984
  • [17] Blass, H. J. – Ehlbeck, J. – Kreuzinger, H. – Steck, G.: Erläuterungen zu DIN 1052:2004-08[
  • [18] Ralf-W. Boddenberg: Vorlesung Holzbau III, Teil 1 Hochschule Wismar 2012.
 
Komentář recenzenta doc. Ing. Bohumil Straka, CSc.,FAST VUT Brno

Problematika dřevěných nosníků oslabených zářezem v oblasti podpor je závažná, a to jak z hlediska jejich spolehlivé únosnosti, tak z hlediska použitelnosti v konstrukcích. Zpracování a uveřejnění uvedeného tématu proto považuji za účelné a přínosné nejen pro odbornou veřejnost, ale také pro projektanty a firmy, které se zabývají navrhováním, výrobou a realizací dřevěných konstrukcí. Příspěvek je přínosný i pro studenty odborných škol a stavebních fakult v oblasti navrhování a posuzování dřevěných konstrukcí.
Jednotlivé části příspěvku na sebe obsahově vhodně navazují.
V úvodu příspěvku jsou uvedeny všechny reálné typy zářezů, které se prakticky mohou vyskytovat v podporové oblasti nosníků vyrobených z rostlého a lepeného dřeva. V textu jsou pak uvedeny hlavní důvody vyžadující provádění zářezů (Obrázek 1). Zařazení poznámky týkající se pravoúhlých zářezů a redukčních součinitelů upozorňuje na výrazné snížení únosnosti nosníků následkem oslabení ostrým zářezem. Autor zmiňuje, že zaoblení v místě rohu zářezu se v praxi u běžných nosníků (typu vaznic, krokví a podobných prvků) příliš nepoužívá, což je pravda. Doporučení s prováděním zaobleného rohu (Obrázek 4) pomocí předvrtaného otvoru považuji za správné, zejména u intenzivněji namáhaných nosníků. Příspěvek obsahuje vztahy pro praktické posuzování nosníků se zářezy (odstavec 3), ve smyslu ČSN EN 1995-1-1, což je pro uživatele účelné. Za zásadní považuji tu část příspěvku, která je zaměřena k zesilování nosníků v místě zářezu.
Uživatelé jistě ocení praktický příklad výpočtu lepeného nosníku se zářezem, zesíleného vlepenými závitovými tyčemi a alternativně překližovanými deskami.

English Synopsis
Timber notched beams

An overview of the structural behaviour of notched timber beams. Notching a beam at its end leads to a stress concentration at the corner of the notch due to the sudden change in the notched beam’s cross section. The concentration of tensile stresses perpendicular to the grain and shear and can lead to failure caused by the crack propagation from the notch corner. In addition, a review of the notched beams design according Eurocode 5, reinforcements, and the design example are included.

 
 
Reklama